计算机网络中信号SPD对传输速率的影响毕业论文.doc

个人收集整理 勿做商业用途 计算机网络中信号SPD对传输速率的影响 南京信息工程大学 曾峥 210044【摘要】计算机信息系统的防雷电侵害正愈来愈受到人们的重视,本文分析了雷电侵害计算机网络设备的几种途径，对电源系统、信号系统的防雷措施作了简单介绍，主要介绍在计算机网络中起保护作用的浪涌保护器（SPD）及其对网络的影响，以及对网络参数进行测试的方法和要求。【关键词】雷电侵害、传输速率、双绞线、信号SPD引言随着现代通信技术的不断发展，计算机网络信息系统正扮演着愈来愈重要的角色,雷电灾害对其造成的威胁和危害也愈来愈大，每年都有多起因雷击造成计算机及网络通讯设施损坏，从而导致信息传输中断、信息受损乃至人身安全受到威胁的事故发生。由于计算机网络设备一般放置在建筑物内的计算机机房内,建筑物通常都有防直击雷的避雷设施，一般情况下，网络设备受到建筑物防直击雷设施的保护，处于雷电的非暴露区,遭受直击雷的可能性相对较小，而遭受感应雷的概率则较高，因此计算机网络系统考虑更多的是感应雷及雷电波入侵的防护问题。而浪涌保护器（SPD)可以限制雷电反击、侵入波、雷电感应和操作过电压而产生的瞬时过电压和泄放电涌电流，通过对电源线路和通信线路等雷电入侵路径加装浪涌保护器（SPD)，来阻止或减轻雷电对网络系统的冲击。但是,由于浪涌保护器自身会产生串扰、回波阻抗、信号衰减等,如果其自身参数与网络参数差异很大，则在数据的传输过程中,会出现信号衰减值及串扰值增大，阻抗的连续性得到破坏，从而影响网络的正常传输.因此,采用合适的浪涌保护器是必要的。1、网络基础知识1. 1网络系统的组成1.1。1网络种类首先我们有必要了解一下网络方面的相关知识。计算机网络按覆盖范围可分为：广域网（WAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）。其中以广域网(WAN）和局域网(LAN）最常见.广域网(wide area network)，或者称WAN是一种跨越大的地域的网络,通常包含一个国家或州. 局域网(LAN）的名字本身就隐含了这种网络地理范围的局域性。由于较小的地理范围的局限性，LAN通常要比广域网（WAN)具有高的多的传输速率，例如，目前LAN的传输速率为10Mb/s，FDDI的传输速率为100Mb/s。要构成LAN,必须有其基本组成部件。组成LAN需要下述5种基本结构:1）计算机（特别是PC机）； 2）传输媒体;3）网络适配器; 4）网络连接设备； 5）网络操作系统.具备了上述四种网络构件,便可搭成一个基本的LAN硬件平台。1。1。2网络的拓扑结构 网络拓扑结构是指网络中通信线路和站点(计算机或设备）的几何排列形式。选择正确的网络拓扑很重要,因为它将影响网络设备的类型，布线方法，升级方式和网络的管理.常见的网络拓扑结构有：（1)总线型拓扑结构；（2）星型拓扑结构；（3）树型拓扑结构；（4）环型拓扑结构；（5)网状型拓扑结构；（6）混合型拓扑结构。如下图1所示:图1各种网络拓扑结构示意图1.2通信线路种类现代建筑物内的信息网络不再是一个信息孤岛，它必须是一个互连互通的开放性网络，来满足人们信息交换的需求。各建筑物之间以及建筑物与外部网络之间都需要物理介质的连接,内网与外网连接的通信方式有多种，如PSTN（拨号接入）、ISDN技术、DDN 技术、ADSL 技术等等。常用的网络传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤电缆和无线与卫星通信信道。 在上述几种通信介质中，都可能因遭受直接雷或感应雷而侵害两端连接的网络系统。1）、同轴电缆同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体及所包围的单根内导线所组成.柱体及导线用绝缘材料隔开,其频率特性比双绞线好，能进行较高速率的传输。由于它的屏蔽性能好，抗干扰能力强，通常多用于基带传输。同轴电缆网络中，一般分为3类:主干网、次主干网、线缆。2)、光缆光导纤维是一种传输光束的细而柔韧的媒质。光导纤维电缆由一捆纤维组成,简称光缆。光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它有以下优点:1） 较宽的频带.2） 电磁绝缘性好。3） 衰减性较小.4） 中继器间隔距离大。光缆有单模和多模之分.3）、双绞线由于双绞线在网络中应用最为广泛，这里我们重点来谈谈双绞线。双绞线（Twisted-Pair）是现在最普通的传输介质，它由两条相互绝缘的铜线组成，典型直径为1毫米.两根线绞接在一起是为了防止其电磁感应在邻近线队中产生干扰信号。现行双绞线电缆中一般包含4个双绞线对，具体为橙1/橙2、蓝4/蓝5、绿6/绿3、棕8/棕7。 计算机网络使用1-2、36两组先队分别来发送和接收数据。双绞线接头为 具有国际标准的RJ-45插头和插座。双绞线分为屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP,非屏蔽双绞线有线缆外皮作为屏蔽层，适用于网络流量不大的场合中.屏蔽式双绞线具有一个金属套夹，对电磁干扰EMI具有较强的理解能力，适用于网络流量较大的高速网络协议应用.双绞线根据性能又可分为5类、6类和7类,现在常用的为5类非屏蔽双绞线，其频率带宽为100MHz,能够可靠的运行4MB、10MB和16MB的网络系统。当运行100MB以太网时,可使用屏蔽双绞线以提高网络在高速传输时的抗干扰特性.6类、7类双绞线分别可工作于200MHz和600MHz的频率带宽之上，且采用特殊设计的RJ45插头。 1。3过电压侵入网络的途径及信号SPD的采用浪涌电压侵入计算机系统的主要途径有以下几种：1.电源系统的侵入。雷击直接击中电力线或电力线附近，在电力线上感应出过电压，传入电源系统。 2.信号系统的侵入。雷电感应电压由信号线传入。 3.空间电磁场的感应。雷电击中接闪器或建筑物,雷电流沿引下线流入大地时，在周围空间产生交变的电磁场，在电源线或信号线上感应出过电压。4.地电位的反击。雷电流流入大地时，由于接地电阻的存在，会产生较大的压降,使地电位抬高，反向击穿设备；或雷云在大地感应出相反电荷，若雷云消失时，大地上的电荷会向无穷远处流散，使地电位升高，产生反击. 所以雷电浪涌过电压的防护通常包括:电源系统的防护、信号系统的防护、电磁屏蔽的防护、接地系统的联合接地体。为了避免因通信电缆引入雷电侵害的可能性，通常采用的技术是在电缆接入网络通信设备前首先接入信号浪涌保护器（信号SPD），即在链路中串入一个瞬态过电压保护器,它可以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压,阻断过电压及雷电波的侵入，尽可能降低雷电对系统设备的冲击。网络电涌保护器的主要用途是:将瞬时的雷电流泄流入地,同时将感应过电压限制在设备可承受的水平，免受过电压的冲击。通常情况下，网络交换机与服务器布置在同一机房内，且距离较近，所以通常将信号SPD安装在集线器（HUB)的出入口端，这样可以同时保护交换机与服务器(如图2所示位置都需接信号SPD）。如果只在服务器的网卡端口安装浪涌保护器，则只可对服务器进行保护,交换机仍有雷电浪涌侵入的危险。由于信号浪涌保护器串接在通信线路中,所以信号SPD除了满足防雷性能特征外，还必须满足信号传输带宽等网络性能指标的要求。因而选择相关产品时，除了考虑保护对象以外，应充分考虑防雷性能指标及网络带宽、传输损耗、接口类型等网络性能指标。2、影响网络传输的参数网络电涌保护器安装方式通常是直接串接在服务器的网卡端口或HUB的RJ45端口。正是由于保护器直接串在了网络的传输通道上,所以就可能会影响网络的传输速率。要讨论网络电涌保护器对网络传输速率的影响需从两个方面进行分析：1、影响网络传输速率的因素；2、网络浪涌保护器自身的因素.2。1影响网络传输速率的因素影响网络传输速率的几个指标：1）衰减（attenuation）衰减定义为信号在链路中传播时，由于其所遇到的电阻而导致的传输信号的减小。它是沿链路的信号损失度量，用“dB”表示，表示源传送端信号到接收端信号强度的比率.衰减随频率而变化.2）串扰(crosstalk） 串扰分近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT）近端串扰（NEXT）是当在线缆的单个线对中传输信号时,从该线对串至同一线缆中其他线对的能量值的测量。近端串扰损耗是一条UTP链路中一对线到另一对线的耦合.近端串扰是UTP线路的一个关键性的指标,其数值不是链路某一点的数值，而是整条链路在某一点的迭加值。近端串扰dB值越高，性能越好。远端串扰（FEXT)定义为在线缆链路近端产生，而在链路远端另一线缆对中测量到的串扰耦合。远端串扰与近端串扰相类似，只不过在测量时是在线缆远端而不是在线缆近端而已。远端串扰和长度紧密相关。3)直流电阻直流环路电阻会消耗一部分信号并并转变成热量,它是指一对导线电阻的和，ISO11801规格的网线的直流电阻不得大于19。2，每对线间的差异不能太大(0.1），否则表示接触不良，必须检查连接点。4）特性阻抗（characteristic impedance）特性阻抗定义为通信线缆对电流的总抵抗力，用欧姆作计量单位。包括电阻及频率为1100MHz的电感阻抗及电容阻抗，是一个综合的阻抗值。每条通信线缆必须有统一、一致的特征阻抗指标。另外，一条布线链路中的所有线缆和部件都必须有一致的特征阻抗指标. 各种电缆有不同的特性阻抗，对双绞线电缆而言,则有100、120及150几种.由于特性阻抗是线缆对通过的信号的阻碍能力。它是受直流电阻,电容和电感的影响，在整条电缆中必须保持一个参数.（其参数和公式如图3所示）r=（Ri-ZO）/（Ri+RO）=（150-100）/ （150+100）=50/250=0.2=205)衰减串扰比（ACR）衰减串扰比(ACR）是描述在存在由传输线对引起的不利的能量串扰情况下，信号能否被正确接收的性能参数。在某些频率范围内，串扰与衰减的比例关系是一个重要的参数，由最差的衰减量与NEXT量值的差值计算（ACR=NEXTAttenuation）,ACR值较大表示抗干扰能力强，要求大于10dB.ACR随传输信号频率的增加而减小.6）电缆特性通讯信道的品质是由它的电缆特性（信噪比SNR)来描述的。SNR是在考虑到干扰信号的情况下，对数据信号强度的一个度量.如果SNR过低，将导致数据信号在被接收时，接收器不能分辨数据信号和噪音信号,最终引起数据错误。因此，为了使数据错误限制在一定范围内，必须定义一个最小的可接收的SNR.2。2网络浪涌保护器自身的因素网络浪涌保护器自身的主要网络指标 由于网络浪涌保护器是串在了链路中，如果其自身参数与网络参数差异很大,则在数据的传输过程中,会出现信号衰减值及串扰值增大，阻抗的连续性受到破坏，从而影响网络的正常传输。以下是几个对于网络传输非常重要但易被人忽视的指标：1)串扰(crosstalk）串扰指标是网络数据传输一个重要的指标,由于浪涌保护器内部的走线在大电路板上,所以其破坏了五类线的标准绞绕,会使串扰值增大。串扰值的增大会使得数据在传输过程中，相互碰撞量增大，误码率增加,从而使传输速率显得较慢。 2） 驻波比电压驻波比（VSWR）：任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传送线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的.这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。驻波比定义为信号中驻波的最高电压幅度与最低电压幅值之比.在工程上VSWR经常表示为回波损失。3）回波损耗(return loss)回波损耗是对由阻抗不匹配引起的反射能量的度量。当终端阻抗（元件阻抗)并没有与线缆的特征阻抗匹配的时候，阻抗不匹配就会发生在通信线缆链路上。由于浪涌保护器中包含了一些容性及感性的元件，如果只考虑防浪涌的作用,而忽略了网络的特性阻抗,则传输的数据通过保护器时，其链路的特性阻抗会表现出不连续性，从而使一些传输量反射回发送端，到达不了接收端，表现出网速变慢。Return Loss（dB)=20log(VSWR1）/（VSWR+1)3、网络传输介质的测试3。1网络测试仪而网络信号浪涌保护器是否会影响计算机网络的传输速率的问题，我们就必须对计算机网络进行测试。现阶段市场上有多种系列、型号的测试仪，如Fluke DSP100测试仪、Fluke 620局域网电缆测试仪、Fluke67X局域网测试仪等等。我们着重介绍一下DSP100。 DSP100是惟一能全部满足EIA 586A TSB67标准对basic link和channel的认证级精度要求的测试仪。1。DSP100采用数字测试技术Fluke DSP100采用了专门的数字技术测试电缆，不仅完全满足TSB67所要求的二级精度标准（已经过UL独立验证），而且还具有更加强大的测试和诊断功能.测试电缆时,DSP-100发送一个和网络实际传输的信号一致的脉冲信号，然后DSP100再对所采集的时域响应信号进行数字信号处理（DSP），从而得到频率响应.这样,一次测试就可替代上千次的模拟信号.2.主要技术指标（1） 电缆标准UTP3、4、5;FTP3、4、5；STP IBM Type1、6、9；Thicknet 10Base；Thinnet 10Base2；RG58、RG58 Foam；RG59、RG59 Foam；rg62.（2） 测试标准TIA Cat3、4、5；Basic Link或Channel；TIA TP-PMD;IEEE 10Base5、10Base2、10Base-T、IEEE 4MHz和16MHz令牌环；IEEE 100Base-t4;IEEE802。12(100AnyLAN）、4UTP和2-STP；ISO ClassA、B、C、D。（3） 测试速度17秒内完成一条UTP5类线测试（含双向NEXT）。（4） 连线图TIA/EIA 568、100Base-T、Token Ring、TP-PMD 指标，UTP（或STP)电缆两端插头的连接进行测试9同于接线图.（5） 特性阻抗(如表1所示）表1双绞线Coax同轴电路备注测量精度7080150+5%3510015-5当额定值和测量值的差别增大时，特性阻抗的精度会下降（6） 长度（距离测试无死区）（如表2所示）表2TP双绞线Coax同轴电缆量程分辨率精度750m0。5m（0.5m+4%的读数）1200m0。5m(0。5m+4的读数） （7） NEXT近端串扰精度1。6dB for 100MHz（Channel）650。1/654.000.4/460.1/580.1/658。000.4/400.1/520.1/6210。000。4/380。1/500。1/6016。000。4/340.2/460.2/5620.00/0.2/440。2/5425。00/0.2/5232。25/0.2/5062.50/0.3/44100.00/0.4/40TSB-67还规定了近端串扰（NEXT）的测试必须从两个方向进行,也就是双向测试（如下图4和图5所示）。只有这样才能保证UTP5类电缆的质量。图4 基本链路测试图5 信道测试上面所述是TSB67测试的主要内容，但某些型号的测试仪还给出直流环路电阻、特性阻抗。现介绍如下：（1） 直流环路电阻（TSB67没有此参数)：直流环路电阻会消耗一部分信号能量并变成热量，它是指一对电线电阻的和,ISO11801规定不得大于19.2.每对间的差异不能太大（小于0。1)，否则表示接触不良，必须检查连接点。（2） 特性阻抗:与环路电流电阻不同，特性阻抗包括电阻及频率1100MHz间的电感抗及电容抗，它与一对电线之间的距离及绝缘体的电气特性有关.各种电缆有不同的特性阻抗，对双绞线电缆而言，则有100，120及150几种。上述内容一般用于测试3类、4类、5类线的重要参数。 4.2信号SPD的选择1）信号SPD技术指标计算机信号系列浪涌保护器主要技术指标如表11所示： 表11 信号浪涌保护器主要技术指标技术项目主要技术指标1。工作电压（V）一般有：5，12，24，48,68，110，130。2.连接方式同 轴 式： BNC，N.非同轴式： DB9，DB15，DB25，RJ11，RJ45，接线端子，X小圆型，P型.3.特性阻抗（）双绞线用于300Hz4KHz时为600。双绞线用于4KHz300MHz时为100、120或150，例如RJ45。同轴电缆用于1GHz时为50或75，例BNC型。同轴电缆用于1GHz时为50，例N型。4。传输速率(bit/s）一般常用的传输速率有20k，64k，2M，10M，100M，155M。5.插入损耗(dB）在计算机网络中接入信号SPD后对信号的衰减，一般要求0.3，0。5，36.驻波系数（dB）1.2（同轴式）7.标称放电电流(kA）经受规定波形、规定次数的电流冲击后指标仍在允许范围内的最大电流值，一般要求0.3，0。6，3，5，10.8.限制电压（V）输入10/700s 6kv 150A或8/20s 6kA或1kv /s时在输出端测到的电压，一般要求25，40，80，150,300 。2）信号SPD选用标准由于网络中不同的器件对SPD的要求也不一样,因此有必要选择合适接口的SPD。具体选用标准如下表12所示：表12 信号浪涌保护器的选用标准接口种类保护对象1、 DB9,DB25（工作电压为12V)多用于保护计算机主机、终端机、调制解调器、服务器等设备。2、 DB15（工作电压为12V）用于保护外收发器的AUI端口.3、RJ11用于保护调制解调器。4、RJ45工作电压为12V时，用于保护调制解调器；工作电压为5V时，用于保护集线器HUB。5、带屏蔽RJ45用于保护集线器HUB。6、接线端子（采用HT508R-2L、4L、6L等）用于485接口总线保护、监控系统等与其相适应的设备保护.7、X小圆型、P型用于监控系统的摄像头数据线保护.8、BNC同轴接头工作电压为5V，特性阻抗为50的多用于细缆组网；工作电压为5V，24V两种，特性阻抗为75的用于监控系统摄像头保护。9、N型接头多用于粗缆组网。10、特殊接头用户特殊设备。3）信号SPD选用要求 1、 信号SPD工作电压、连接方式和特性阻抗应与网络的被保护端口适配。 2、 信号SPD传输速率应高于网络的被保护端口的传输速率。 3、 信号SPD插入损耗应满足系统设计总插入损耗最高允许值的设计范围。 4、 信号SPD标称放电电流应大于装设部位预期的最大浪涌电流. 5、 信号SPD的限制电压应不大于保护对象的耐压等级。 4)信号SPD的安装 1 将接SPD到被保护的信号线路中,SPD的输出端接到被保护设备端，切勿接反，否则，会损坏SPD. 2 检查地网的接地电阻是否小于4。 3将SPD的地线就近接到机房的保护地母线上.地线应尽量短。地线与低网母线连接时，不允许搭接及绕接，必须牢固的焊接，否则，即使安装了SPD，也达不到应有的保护效果。结束语近年来,随着计算机网络的应用越来越普遍，人们越来越重视雷电灾害对其造成的危害和影响。因此我们除了选择合适的信号浪涌保护器外，还必须严格对其进行测试，保证信号SPD在对网络保护的同时不会对网络的传输产生不可接受的影响，只有这样，才能确保计算机网络系统的安全运行,最大限度地防御和减轻雷电灾害对计算机网络系统造成的危害和损失。参考文献：1、美 Chris Clark著. 网络布线实用大全 北京: 清华大学出版社， 20032、黎连业著。 网络综合布线系统与施工技术 北京: 机械工业出版社， 20033、来宾 彭学杰著 综合布线与网络工程 北京： 冶金工业出版社， 20034、教育部 网络技术 北京： 高等教育出版社, 2002 15